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【應(yīng)用探析】高速攝像機(jī)在激光3D打印及表面處理研究中的應(yīng)用
隨著激光3D打印以及高速攝像技術(shù)的蓬勃發(fā)展，針對激光熔融沉積成形及表面控性的研究成為熱點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值（如圖1所示），可幫助實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、快速、致密凈成形，是航天領(lǐng)域、高精尖復(fù)雜零部件研制的技術(shù)路徑，有助于規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
（圖1）多路送粉式激光3D打印航空發(fā)動機(jī)葉片
對復(fù)雜合金的激光熔融沉積和表面重熔機(jī)理研究與應(yīng)用可明顯優(yōu)化3D打印零件的機(jī)械性能。高速攝像技術(shù)在此過程中可助力實(shí)時捕捉液態(tài)金屬熔池形貌及jing確調(diào)控的表面完整性。液態(tài)熔池的形成與凝固標(biāo)志著金屬材料形態(tài)及性能的轉(zhuǎn)變，在高能激光束的照射作用下，匯聚于光斑處的球形金屬粉末顆粒迅速熔化形成了液態(tài)熔池，隨著激光束的快速移動，熔池迅速凝固后便形成了打印層。熔池的形成過程雖短暫，卻包含豐富的物理化學(xué)規(guī)律，不同打印工藝參數(shù)下零件的機(jī)械性能和表面質(zhì)量也各不相同（圖2所示）。
（圖2） 激光熔融沉積成形表面（左）及激光重熔后的表面（右）
激光重熔技術(shù)作為激光3D打印成形件表面處理改性的一種重要手段，可有效提高零件表面質(zhì)量和成形組織的致密度。但如何將激光熔融沉積和重熔工藝進(jìn)行有效結(jié)合，揭示混合工藝下的材料組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律仍然鮮有研究和報(bào)道。因此，東北大學(xué)*制造及其自動化技術(shù)研究所辛博老師及其科研團(tuán)隊(duì)對其進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)探析深層機(jī)理。
研究重點(diǎn)關(guān)注了激光重熔處理對熔覆層金屬組織和力學(xué)性能（包括氣孔、硬度和拉伸性能）的影響機(jī)理。在熔覆層孔隙率分析的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化激光重熔功率，并利用COMSOL有限元仿真軟件進(jìn)行溫度場分析，實(shí)現(xiàn)激光3D打印性能分析和激光重熔工藝的優(yōu)化。圖3為拍攝激光熔融沉積和重熔工藝下的液態(tài)金屬熔池形成過程實(shí)驗(yàn)（采用千眼狼5KF20高速攝像機(jī)拍攝，1920×1080@3000 fps）?？梢钥闯鰧?shí)際形成的熔池的邊界線與COMSOL溫度場仿真獲得的316L不銹鋼合金液相溫度線高度吻合。
（圖3 ）激光熔融沉積（左）和激光重熔（右）下的液態(tài)熔池拍攝圖像及其溫度場仿真
除研究液態(tài)金屬熔池形貌這一局部現(xiàn)象外，在激光3D打印前的金屬粉末顆粒實(shí)時輸送和混合過程中，高速攝像技術(shù)亦有重要應(yīng)用價值。在實(shí)際應(yīng)用時，金屬粉粒能否準(zhǔn)確、均勻地匯聚在高能激光束的光斑中心位置將直接決定熔覆層的表面質(zhì)量，所以研究載氣驅(qū)動下的金屬粉末流動軌跡就顯得尤為重要，而這一切的前提是對高速流動粉粒的jing確捕捉，需要3000 fps以上的高頻圖像采集與快速傳輸。因此，高速攝像機(jī)憑借超高的時空分辨率及圖像傳輸速度，將成為激光3D打印及表面處理領(lǐng)域內(nèi)的科研人員實(shí)驗(yàn)裝置中*的一環(huán)。
作者| 東北大學(xué) 辛博